射频磁控溅射制备铌锌酸钡微波介质陶瓷薄膜及其微观结构表征研究

摘要

近几年来随着电子及微电子工业的飞速发展，微波通信产业迅猛崛起。微波通信产业的发展极大的促进了微波材料及其器件的研究。微波频率器件的高度集成化及其工作频率的提高已经成为微波通信器件发展的趋势。目前主要的微波频率器件主要有三种：半导体器件、声器件(SAW、FBAR等)、和微波介质器件。微波介质器件具有损耗低、性能稳定可靠、成本低、适合于微波高频段等优点，成为当今国内外研究的热点。目前国内外的研究主要是块状器件的研究，但是块状材料的尺寸最少也要λ/4，不能满足集成化、高性能的要求，这阻碍了微波介质器件的应用，从而为微波介质陶瓷薄膜在微波集成电路和微波集成器件领域提供了一个广阔的平台。 微波介质陶瓷薄膜作为一类重要的结构和功能薄膜材料越来越受到广泛的重视。因微波介质陶瓷薄膜比其块状陶瓷有非常大的表面积，特殊的表面结构调整表面电荷分布的非对称性以及非对称结构，它可能表现出独特的优良性能。微波介质陶瓷薄膜应用于微波介质薄膜器件领域，不仅可以减少电极的损耗，有望获得器件的高性能，而且满足了器件片式集成化的要求，对于实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的现实意义。 铌锌酸锶钡((BaxSr1—x)(Zn1/3Nb2/3)O3，x为摩尔分数，0≤x≤1，简称BSZN)是具有立方复合钙钛矿结构的微波介质陶瓷。BSZN虽然在很高的微波频率下具有极低的介质损耗和很低的谐振频率温度系数等优点，在卫星通讯、雷达、以及移动通讯系统上具有重要或潜在的应用价值，但其块状材料不能满足集成化的要求，这阻碍了微波介质器件的应用，因此对BSZN薄膜的研究具有重要的实际意义。 介质薄膜的制备方法有很多，主要有溶胶一凝胶(Sol—Gel)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、RF磁控溅射法等。在这些方法中，RF磁控溅射法具有低损伤、高速、易于C轴生长、能以较低的成本制备出实用大面积成膜等优点，其膜厚的可控性和重复性较好、膜的纯度较高，是最常使用的介质薄膜制备方法之一。但有关RF磁控溅射法制备微波介质陶瓷薄膜的研究国内外比较少见，因而具有相对比较广阔的研究领域。 本论文的研究主要包括两方面内容，首先我们利用射频磁控溅射技术和热退火技术在单晶SiO2(110)衬底上制备(Ba0.3Sr0.7)(Zn1/3Nb2/3)O3薄膜，但在制备过程中可能存在ZnO的挥发、元素的饱和蒸汽压等原因，结果制备出了一种混合相的薄膜；用正交试验的方法对(Ba0.3Sr0.7)(Zn1/3Nb2/3)O3薄膜的制备工艺进行探索并对工艺参数进行了优化。同时以多种电子显微技术为主，结合X射线衍射等手段，对了薄膜结构的形貌、显微结构、成分进行了测试分析与表征。主要内容如下： (1)利用射频磁控溅射技术与热退火技术在SiO2(110)衬底上制备了(Ba0.3Sr0.7)(Zn1/3Nb2/3)O3薄膜。实验过程中我们采用正交分析方法对RF磁控溅射工艺进行优化设计，获得膜层质量较好的最佳工艺参数，为进一步研究BSZN薄膜奠定基础。 (2)对制备的薄膜结构样品我们进行了以电子显微技术为主的测试与表征，主要包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、(选区)电子衍射(SAED)等。 (3)通过对测试结果的分析，我们探讨了研究了溅射功率、溅射气压、退火温度、退火时间对(Ba0.3Sr0.7)(Zn1/3Nb2/3)O3薄膜结构生长的影响机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1微波介质陶瓷的研究现状

1.2 Ba(Zn1／3Nb2/3)O3微波介质陶瓷薄膜的基本性质及其研究现状

1.3薄膜的生长模式

1.4介质陶瓷薄膜的制备技术

1.5本文的选题依据和主要实验内容

第二章实验原理、实验设备与测试表征技术

2.1实验设备

2.2实验中所需要的主要材料和试剂

2.3样品的测试和表征

第三章射频磁控溅射制备钙钛矿结构微波介质陶瓷薄膜的正交分析

3.1正交试验的原理、过程和方法

3.2试验结果及分析

3.3结论

第四章微波介质陶瓷薄膜的微观结构表征

4.1溅射功率对微波介质陶瓷薄膜的影响

4.2溅射气压对微波介质陶瓷薄膜的影响

4.3退火温度对微波介质陶瓷薄膜的影响

4.4退火时间对微波介质陶瓷薄膜的影响

第五章结论

5.1本文的主要研究结果

5.2对今后工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文目录

致谢